La glucosa es el azúcar que absorbemos de los alimentos que comemos y es el combustible que alimenta cada célula de nuestro cuerpo. Pero, ¿podría la glucosa también impulsar los implantes médicos del futuro?
Los ingenieros del MIT y la Universidad Técnica de Munich creen que sí. Por ello, han diseñado un nuevo tipo de celda de combustible de glucosa que convierte la glucosa directamente en electricidad. El dispositivo es más pequeño que otras celdas de combustible de glucosa propuestas, mide solo 400 nanómetros de espesor, además, el nuevo dispositivo también es resistente, capaz de soportar temperaturas de hasta 600 grados centígrados. Si se incorpora a un implante médico, la celda de combustible podría permanecer estable a través del proceso de esterilización a alta temperatura requerido para todos los dispositivos implantables.
El corazón del nuevo dispositivo está hecho de cerámica, un material que conserva sus propiedades electroquímicas incluso a altas temperaturas y escalas en miniatura. Los investigadores prevén que el nuevo diseño podría convertirse en películas o recubrimientos ultrafinos y envolver implantes para alimentar electrónicamente de forma pasiva, utilizando el abundante suministro de glucosa del cuerpo.
La nueva pila tiene un electrolito hecho de cerio, un material cerámico que posee una alta conductividad iónica, es mecánicamente robusto
El equipo no es el primero en concebir una pila de combustible alimentada por glucosa. La primera se presentó en la década de 1960 y demostró su potencial para convertir la energía química de la glucosa en energía eléctrica, pero las pilas de combustible de glucosa se basaban entonces en polímeros blandos y fueron rápidamente eclipsadas por las baterías de yoduro de litio, que se convertirían en la fuente de energía estándar para los implantes médicos, sobre todo para los marcapasos cardíacos. Sin embargo, las baterías tienen un límite en cuanto a su tamaño, ya que su diseño requiere la capacidad física de almacenar energía.
"Las pilas de combustible convierten directamente la energía en lugar de almacenarla en un dispositivo, por lo que no se necesita todo ese volumen que se requiere para almacenar energía en una batería", afirman los investigadores.
En los últimos años, los científicos han vuelto a estudiar las pilas de combustible alimentadas por glucosa como fuentes de energía potencialmente más pequeñas, alimentadas directamente por la abundante glucosa del cuerpo.
El diseño básico de una pila de combustible que funciona con glucosa consta de tres capas: un ánodo superior, un electrolito intermedio y un cátodo inferior.
El ánodo reacciona con la glucosa de los fluidos corporales, transformando el azúcar en ácido glucónico y esta conversión electroquímica libera un par de protones y un par de electrones; el electrolito intermedio actúa para separar los protones de los electrones, conduciendo los protones a través de la pila de combustible, donde se combinan con el aire para formar moléculas de agua, un subproducto inofensivo que fluye con el fluido corporal; mientras tanto, los electrones aislados fluyen hacia un circuito externo, donde pueden utilizarse para alimentar un dispositivo electrónico.
"La cerámica para una pila de combustible de glucosa de este tipo tiene la ventaja de la estabilidad a largo plazo, la pequeña escalabilidad y la integración del chip de silicio"
El equipo trató de mejorar los materiales y diseños existentes modificando la capa electrolítica, que suele estar hecha de polímeros. Pero las propiedades de los polímeros, junto con su capacidad para conducir protones, se degradan fácilmente a altas temperaturas, son difíciles de conservar cuando se reducen a la dimensión de los nanómetros y son difíciles de esterilizar. Los investigadores se preguntaron si una cerámica -un material resistente al calor que puede conducir protones de forma natural- podría convertirse en un electrolito para las pilas de combustible de glucosa. "Cuando se piensa en la cerámica para una pila de combustible de glucosa de este tipo, tiene la ventaja de la estabilidad a largo plazo, la pequeña escalabilidad y la integración del chip de silicio", señalan.
LA NUEVA PILA TIENE UN ELECTROLITO HECHO DE CERIO
Los investigadores diseñaron una pila de combustible alimentada por glucosa con un electrolito hecho de cerio, un material cerámico que posee una alta conductividad iónica, es mecánicamente robusto y, como tal, se utiliza ampliamente como electrolito en las pilas de combustible de hidrógeno. También se ha demostrado que es biocompatible.
El equipo colocó el electrolito con un ánodo y un cátodo de platino, un material estable que reacciona fácilmente con la glucosa. Fabricaron 150 pilas de combustible alimentadas con glucosa en un chip, cada una de ellas con un grosor de unos 400 nanómetros y una anchura de unos 300 micrómetros.
Las células se colocaron en obleas de silicio, lo que demuestra que los dispositivos pueden combinarse con un material semiconductor común. A continuación, midieron la corriente producida por cada célula al hacer fluir una solución de glucosa sobre cada oblea en una estación de prueba fabricada a medida
Descubrieron entonces que muchas pilas producían un pico de tensión de unos 80 milivoltios. Dado el diminuto tamaño de cada pila, esta producción es la mayor densidad de potencia de cualquier diseño de pila de combustible de glucosa existente.